科技日报金凤 通讯员 吴煜昊
用化学气相沉积方法（CVD）生长石墨烯，日趋成为制备大面积、高品质单晶晶粒或者薄膜的最主要方法。然而，十多年来，用该方法生长的石墨烯，总是逊色于胶带剥离法获得的本征石墨烯片层。1月9日，南京大学物理学院高力波教授团队领衔的研究团队，在《自然》杂志发表文章称，他们探索出一种可控生长超平整石墨烯薄膜的方法及其内在机制，有望推广到新材料、新能源应用等重要研究领域。
a：质子渗透和氢去耦合模型；b：普通CVD方法生长的有褶皱石墨烯；c：氢气等离子体处理过后的同位置褶皱变化；d：质子辅助生长的超平滑石墨烯薄膜。
CVD石墨烯中的褶皱是影响石墨烯物性的重要瓶颈。CVD石墨烯中的褶皱，来源于石墨烯与生长基体的热涨率差异，石墨烯生长在铜或者铂等生长基体上，生长温度多在600度以上，生长完成后降至室温变引起石墨烯的褶皱。石墨烯中的褶皱，究竟在多大程度上能够影响其性能，并没有完整的对比数据。
因此，如何彻底消除褶皱，并制备出超平滑的石墨烯薄膜，成为提升其品质的重点和难点。
在进行大量实验后，研究团队发现，高比例的热氢气，会在一定程度上，弱化石墨烯与生长基体之间的耦合作用。
同时，研究人员通过理论模拟发现，处在石墨烯与铜基体之间的氢，在大浓度、高温条件下，可以减弱二者耦合。在热氢气的组分中，质子和电子，可以自由穿梭于石墨烯的蜂窝状晶格。
因此，研究人员推测了质子在穿透石墨烯后，有一定概率会再次与电子组合成氢。为此，课题组通过氢气、氘气、氦气等离子体的作用效果对比，验证了设想的模型。他们采用氢气等离子体处理褶皱化的石墨烯薄膜，并辅以高温，逐步减弱并彻底消除石墨烯褶皱。如果在生长石墨烯的同时，引入氢气等离子体，则生长出来的石墨烯则为完全无褶皱。
由于石墨烯薄膜超平滑，研究人员在清除石墨烯表面其他物质，尤其是石墨烯转移过程中的转移介质PMMA残留时，还发现其极易清洁。
责任编辑：陈小柒